Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

История жизни на Земле

В 1860 году, через год после публикации книги Чарлза Дарвина «Происхождение видов», Джон Филлипс, профессор Оксфорда и президент Лондонского геологического общества, прославившийся тем, что представил первую геологическую хронологию, в которой соотносились окаменелости и слои горных пород, опубликовал книгу под названием «Жизнь на Земле: ее происхождение и преемственность» (Life on the Earth: Its Origin and Succession). Изучая морские окаменелости, он пришел к выводу, что в геологической летописи проходит граница между мезозойской и кайнозойской эрами, – между периодами, которые мы сегодня называем меловым и палеогеновым, – и показал, что несколько родов¹, которые

были многочисленными до конца мезозойской эры, впоследствии полностью исчезли из летописи окаменелостей².

В последующее столетие количество и разнообразие окаменелостей, собранных по всему миру, быстро возрастало, и вскоре был признан тот факт, что часто целые семейства родственных видов, живших в одну эпоху, внезапно исчезали в следующую. Эти вымирания отмечали историю жизни с того самого момента, как 540 миллионов лет, после кембрийского взрыва, произошел расцвет многоклеточных организмов. Хотя о точном числе таких событий спорят по сей день, ученые согласны с тем, что пять из них можно квалифицировать как «массовые вымирания» – иными словами, такие этапы в истории жизни, когда по крайней мере половина всех существующих видов исчезает в геологический момент (длящийся менее нескольких миллионов лет). Эти катастрофы произошли примерно 445, 370, 250, 201 и 66 миллионов лет назад.

Потенциальные причины массового вымирания многочисленны и широко обсуждаются. В качестве причин называют как засвидетельствованные геологические события, происходившие на Земле, – плато-базальты (см. ниже), глобальное похолодание и потепление, резкие изменения уровня моря, вызванные ледниковыми периодами или тектоникой плит, а также инверсии геомагнитного поля (глава 8), – так и астрономические причины, такие как столкновение с астероидом или кометой и взрывы ближайших звезд. Третий комплекс вариантов предполагает перенаселение и чрезмерное потребление, устроенное каким-либо видом. Некоторые утверждают, что в настоящее время мы переживаем шестое массовое вымирание, вызванное одним из таких видов – а именно нами самими³.

Самое недавнее вымирание (если исключить нынешнее) – это вымирание, впервые выявленное Филлипсом, которое, как мы теперь установили, произошло 66 миллионов лет назад (см. ниже). Оно привело к внезапному исчезновению всех нептичьих динозавров, властвовавших на планете более 200 миллионов лет, а вместе с ними пропали 75 % всех других видов растений и животных. В летописи окаменелостей эта точка названа границей мелового и палеогенового периодов (K-Pg), по названию двух геологических эпох, для которых она служит разделительной линией⁴. Как и в случае с другими массовыми вымираниями, причина этой радикальной трансформации жизни на Земле остается предметом многочисленных споров. Но исследование, начатое в конце 1970-х годов молодым геологом из Беркли, привело к появлению поразительной гипотезы, получившей широкое признание в наши дни, после сорока лет сосредоточенных усилий. Она гласит, что динозавры погибли в результате удара астероида о Землю – и наши историки-атомы позволяют подробно воссоздать это космическое столкновение и его последствия.

Поиски виновника

В Периодической таблице химических элементов Осмий, Иридий и Платина занимают соответственно 76, 77 и 78-й номера. Это одни из самых тяжелых элементов со стабильными изотопами. Они редки во Вселенной (см. гл. 16), а на поверхности Земли встречаются еще реже, потому что, как и многие другие тяжелые элементы, опустились в ядро планеты во время расплавленной стадии ее формирования. Более того, считается, что источником значительной части этих элементов, обнаруженных сейчас на Земле, служит дождь из измельченного метеоритного материала – межпланетной пыли, который сбрасывает на поверхность Земли из космоса около 10 000 тонн в год.

Поскольку скорость накопления этой пыли в Солнечной системе считается очень стабильной, по содержанию редких металлов можно измерить скорость седиментации в кернах океанических отложений и в слоях горных пород, некогда скрытых в морских глубинах и с тех пор поднявшихся вверх, на землю. Эти элементы можно сравнить с постоянно тикающими часами. Если скорость седиментации высока и на дно океана за короткое время опускается много отложений, эти тяжелые элементы распределятся по слою породы неплотно, потому что у них не будет времени для накопления. Когда же скорость седиментации низкая, их концентрация будет выше, поскольку за тот же период накопится меньше океанического мусора. Уолтер Альварес проявил интерес к тому, может ли это явление послужить в качестве часов для изучения эпохи на границе K-Pg.

В Апеннинских горах, примерно в 160 километрах к северу от Рима, недалеко от города Губбио, есть обнажение слоистого известняка. Раньше он находился на дне океана, но выдвинулся на сушу, когда африканский континент, движущийся на север, столкнулся с европейским. В этих породах содержатся сведения о накоплении отложений на морском дне за период, охвативший время от 185 до 30 миллионов лет назад. Внимательное изучение слоев, прилегающих к границе K-Pg, показывает, что и фораминиферы (одноклеточный планктон, заключенный в крошечные раковины), и их собратья-кокколиты, подобные растениям, претерпевают полную популяционную метаморфозу в пределах сантиметра или двух от пограничного слоя; практически все виды, обнаруженные ниже границы, внезапно исчезают, а выше этой линии их заменяют уже другие виды. Сама граница отмечена слоем глины толщиной в сантиметр. Альварес заинтересовался скоростью седиментации в слое глины (которая, как известно, варьируется от 0,01 до 3 миллиметров в столетие). Была ли скорость на этой резкой границе выше или ниже, чем в соседних слоях породы?

Он извлек образцы горных пород чуть выше и чуть ниже пограничного слоя, а также семь образцов со всей длинной (325-метровой) летописи мелового периода и два из глиняного слоя. Образцы подверглись нейтронно-активационному анализу – да, точно так же, как картины, о которых мы рассказывали в главе 7: их облучали нейтронами, чтобы вызвать образование радиоактивных изотопов и измерить испускаемые гамма-лучи, энергия которых позволяла связать изотопы с конкретными элементами. Всего было исследовано двадцать восемь различных элементов – от обычных, таких как Алюминий и Железо, до редких, таких как Лютеций и Тантал. И хотя двадцать семь элементов на протяжении всей долгой истории породы менялись медленно и параллельно – в том числе в пограничном слое, – один из них выбивался из колеи.

Исключением был Иридий. В большинстве слоев горных пород, взятых как образец, его концентрация составляла около 0,3 миллиардной доли. Это сопоставимо с тем, что удалось обнаружить другим исследователям в иных осадочных породах, и просто служит отражением того факта, что из космоса непрерывно изливается материал, богатый Иридием. А вот в пограничном слое глины это значение составило 9,1 миллиардной доли, иными словами, увеличилось в 30 раз (3000 %)! Ни у одного из остальных двадцати семи элементов количество не изменилось даже в 2 раза! На высоте 10 см над пограничным слоем уровень Иридия упал в 10 раз, а на 1 метр выше границы уровни вернулись к норме.

Чтобы проверить, не вызвана ли эта аномалия каким-то странным локальным процессом, Альварес и его команда проанализировали тот же слой, залегавший на границе K-Pg, в образцах из обнажения в Дании, в 1600 километрах к северу. Эти осадочные слои залегали в значительно более мелких водах, поэтому несколько отличались по составу от пород Губбио, но слой глины на границе снова был чистым. При этом фоновый уровень Иридия вдали от границы показал содержание, равное 0,26 миллиардной доли, а на самой границе концентрация подскочила на 16 000 %! Представьте, что вместо маленького стакана воды, который вы ожидаете найти, вам в руки падает 40-литровая канистра – вот примерно такое сравнение будет в данном случае подходящим. В своей статье ⁵ Альварес также приводит неопубликованный результат исследований, согласно которому в образце из Новой Зеландии, расположенной на другом конце света, обнаружено аналогичное резкое увеличение содержания Иридия прямо на границе K-Pg.